转矩之局

文 宋喜秀

转矩在物理学中指力矩的大小，等于力和力臂的乘积，所以又称扭力或扭矩。而汽车发动机的转矩是指发动机从曲轴端输出的力矩。它的准确定义是：活塞在汽缸里做往复运动，每一次往复都会做一定的功，在每个单位距离所做的功就是转矩。与此相对应，在每个单位时间所做的功是功率；在每个单位时间所转过的曲轴圈数是发动机转速。转矩是汽车启动、加速、载重、爬坡等动力特性的决定性因素，是汽车性能指标体系中的关键性指标之一。

用Pe、Te、n分别表示发动机的功率、转矩和转速，则有如下关系式：

发动机的物理特性决定了离合器、变速器等动力传递机构的存在。变速器通过离合器与发动机相连，变速器的输入轴与发动机曲轴同步转动，输出轴则按选择的变速比来输出速度与相应的动力。驾驶员通过变速器换挡使发动机在最佳动力性能状态下工作。功率、转矩和转速之间既相互依存又相互博弈，为我们展示了丰富多彩的转矩之局。

转矩

1 燃油发动机的优势之忧

1.1 燃油发动机之“优”

伴随涡轮增压、高压共轨、汽车CAN总线(Controller Area Network)等技术的广泛运用，传统燃油发动机中，特别是柴油机的转矩特性，越来越“人性化”：既有助于负重爬坡的低转速大转矩特点，又有利于启动加速及节油的中高速转矩区间优势，所以一度成为交通运输、工程机械、农业机械以及国防装备的主导动力。图1为YC6K1242-30型柴油机转矩曲线，表1为该型发动机配置表。

表1 YC6K1242-30型发动机主要参数及配置

由转矩曲线可以看出此柴油机低转速大转矩的显著特点。在1000～1400 r/min常用转速区间内，发动机具备2100 Nm的最大转矩。转矩输出愈大象征着承载能力愈大，加速性能愈好，爬坡能力愈强，换挡次数愈少，从而汽车的机械磨损也会相对减少。这种发动机适合低转速大转矩工况的车型，如大型客车、矿用自卸车、汽车起重机等需要长时间“负重爬坡”的车型。

1.2 燃油发动机之“忧”

1893年世界上第1台柴油机诞生——DIESEL ENGINE(狄塞尔)。德国MAN公司于1923年推出了第1台装备在卡车上的狄塞尔发动机。如今看来，历经百年沧桑的柴油机技术已经炉火纯青。但成熟技术表现出来的动力特性优势也在不知不觉中误入歧途而成为隐忧——这就是燃油汽车3大怪。

1.2.1 汽车当作火车开

GB1589-2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》规定，当3轴货车驱动轴为每轴每侧双轮胎(即俗称的“后8轮”)且装备空气悬架时，允许总质量的最大限值为26000 kg；当具有双转向轴的4轴汽车驱动轴为每轴每侧双轮胎且装备空气悬架时，允许总质量的最大限值为32000 kg；具有6轴的汽车列车允许总质量的最大限值为49000 kg。与国内货运市场的实际情况对照一下，我们会对无车不超的“中国国情”哑然失笑。

古人云，有一利必有一弊。柴油机“低转速大转矩”的超强动力优势，常常被一些急功近利的商家理解为超载超限的资本而进行毫无止境的消费乃至挥霍。无论是上坡下坡，还是装货卸货，只要车能启动，超载多多益善，不仅超过国家标准的规定限值，还一度超过火车车皮60000 kg的载质量。如2013年12月20日晚，在驻马店市驿城区朱古洞乡窑后村(107国道确山南路超限站附近)，一名驾驶员在卸车时，因所载货物严重超重，升降液压杆被压断，满载河沙的车厢重重落下，驾驶员被当场砸死。

1.2.2 货车当作赛车赛

柴油机的功率、转矩随转速而变化，功率随着转速上升而上升，差不多到了最大转速(标定转速)仍未出现曲线的最高点；转矩曲线变化平缓，在不同转速位置变化量不大。因此，灵活变速比的美好理想便寄托在了变速器身上。于是，AT(Automatic Transmission，自动变速器)、MT(Manual Transmission，手动变速器)、AMT(Automated Mechanical Transmission，电控机械式自动变速器)应运而生。

AT是由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变扭器由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，兼有传递转矩和离合的作用，是AT的核心部件。MT采用齿轮组换挡变速，由于每个挡位的齿轮组的齿数是固定的，各挡的变速比都是定值，所以是有级变速器。AMT是在机械变速器上进行改造，改变手动操作系统的换挡杆部分，通过电子控制单元(ECU)使发动机供油、离合器的离合、变速器换挡3者动作与时序达到最佳匹配，保留了绝大部分原总成部件，生产继承性好，改造的投入费用少，因性价比最高而得到生产厂家的广泛接受。

选换挡控制是提高变速器性能的重要环节。目前，按照执行机构动力源的不同，AMT的选换挡系统可分为电控气动、电控液动和电控电动3种类型。具有AT功能的变速器还有：装备双重离合器的直接换挡变速器(Direct Shift Gearbox)，依靠主、从动轮和金属带来实现速比无级变化的“持续可换档变速器(Continuously Variable Transmission)等新型变速器。

伴随着变速器的不断创新和传动比的逐级跟进，面对高速公路的高效诱惑，柴油车的行驶速度被不断刷新。因为车辆用途的多样化和利益竞争机制的白热化，近年来不断有时速超过100 km/h的工程车问世，给工程施工和交通安全埋下了隐患。

1.2.3 排放越高越难卖

当前普遍使用的柴油车也存在种种弊病，除了动力严重过剩，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环境的呼声日益高涨，要求燃油排放升级的政策压力与日俱增。因为推行第四阶段燃油排放限值标准，发动机的技术升级将带动采购成本增加，上涨幅度可达30%左右，所以很多购买者并不情愿为此“买单”。面对“排放越高越难卖”的尴尬局面，经销商只能一方面为数以百计的“国III”排放标准车型提前上户，以填补实施“国IV”排放标准的市场缓冲期；另一方面，通过各种促销手段翘首以待新车型销量大增以消化成本。

为了满足排放标准，发动机厂商分别选择了EGR＋DPF或SCR技术，前者对用户采购成本影响较小，但油耗升高；后者可以满足严格的环保法规，但需额外加装设备，增加配置费用。此外，很多业内人士表示，目前油品本身含硫量较高，难以满足高压共轨柴油机的使用需求，甚至还可能导致传感器“休克”。如果国内燃油的含硫量快速下降，则我国的运输车辆、工程机械等柴油动力装备就有可能跨越现有的技术和成本障碍，实现弯道超车。

2 新能源的绿色之虑

汽车当作火车开，货车当作赛车赛，排放越高越难卖。传统汽车3大怪的出现，说明燃油汽车的生命周期已经跨入高转速、高转矩、高功率的“三高”衰老期。取而代之的新概念车型呼之欲出。电动汽车、空气动力车、LNG汽车等新概念车型脱颖而出，成为汽车世界里炙手可热的“高富帅”。然而，时尚之始，正是机遇与挑战并存之时，处于高新技术开发前沿的汽车新能源技术的局限性也日趋明朗、饱受争议。

表2 电动汽车之电机驱动系统的转矩特点

2.1 电源之源，污染提前

纯电动汽车电动机的动力来自于定子磁力对带电转子的作用力，直流电机的电磁转矩可以由磁力定律及转矩公式推论出来：

电磁转矩公式表明，电机的电磁转矩Tem与电机结构有关(转矩常数CT由结构决定)，并与电枢绕组的气隙磁通Φ/(Wb)及电枢电流Ia/(A)成正比。电枢电流与电压是电机电磁转矩的决定性因素，也是电动汽车重要的性能指标之一。

电动汽车由电机驱动系统、电源电力系统和辅助支持系统等3部分组成。电机驱动系统主要由电动机(M)、定比减速器(FG)、差速器(D)、电子控制器、功率转换器和车轮组成，目前有电动机中央驱动系统和电动轮驱动2种驱动方式。2种驱动系统的转矩特点如表2。

电源电力系统目前有蓄电池、燃料电池和电网电力3种。

(1)蓄电池。蓄电池是能量存储装置，通过外界充电储存电能，并通过电化学反应释放电能，为电机驱动系统供电。电动机充放电1次称为1个循环。因为电动机充电时间长(6～10 h)，放电时间短，因此电动汽车的续航里程十分有限。此外，蓄电池制造成本高，循环寿命短(400～1200次)，又使其折旧费居高不下。数以千百计的蓄电池组合成一个能量包，如果有一个或几个蓄电池性能衰减，造成的短板效应也会使“能量包”总体性能下降。所以，以蓄电池为能源的电动汽车的发展预期，长期局限在微型低速短程的底端市场徘徊不前。

(2)燃料电池。燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转为电能的能量生成装置。燃料电池不需要充电，只要外部不断地供给燃料和氧化剂，就能连续稳定地发电。电动汽车燃料电池的燃料为氢(H2)和甲醇(CH3OH)。与其有关的3类电池的参数如下表3。

表3 3类燃料电池的参数

由表3可知，质子交换膜氢燃料电池的预期寿命最长，但造价昂贵，中国也没有反应所必需的催化剂——贵金属铂，所以此梦难圆。

(3)电网电力。驱动交流异步电动机离不开电网电力。交流异步电动机没有独立的励磁绕组，其定子中的电枢绕组既是励磁绕组，又是转矩绕组，与一般直流电动机相比，具有效率高、结构简单、免维护等优点。因为感应电动机是一个多变量强耦合的非线性系统，所以其励磁与转矩间的耦合控制曾经相当困难，对于工况频繁变换的电动汽车尤其困难。近年来随着电力电子技术的飞速发展和运动控制理论的逐步运用，感应电动机的控制技术已经完成了飞跃，交流异步电动机及其控制技术已经取得长足进步，并成功运用于大功率混合动力公交车、纯电动公交车制造系统。如果高速公路能像高速铁路那样有稳定的电网系统一路相伴，公路运输的运能将另当别论。

电动汽车无法取得突破性进展的仍然是蓄电池电池组，令人遗憾的电能衰减及很难自圆其说的“零排放”问题。一方面，电池需要充电，那么交流电从何而来？据统计，目前，80%以上的电能仍然来自于使用煤炭、石油、天然气3大传统能源的火电站，所谓“零排放”只不过是污染方式的转移而已。另一方面，电池储电能力衰变到一定限度时，大量报废的电池会不会带来二次污染，仍然是不容回避的现实问题。此外，电池释放电能的化学过程始终无法精确控制和掌握，过半的手机电量，常常在一个电话之后就突然“罢工”，续航里程十分有限的电动汽车会不会突然抛锚当然无法保证。

2.2 气体之体，难燃易漏

石油资源的世界性短缺，汽车排放对大气污染比重的上升，使人类不得不寻找新的清洁能源。液化天然气(LNG)的主要成分是甲烷(化学分子式CH4),无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，质量仅为同体积水的45%左右，1 m3的天然气热值约为9300 kcal，1 t的LNG可产生1350 m3天然气，可发电8300度。由于LNG真空隔热罐储存技术的日益完善，“西气东输”等天然气项目的逐步完工，使我国绿色能源汽车研究应用具备了必要的技术条件，具有了坚实的后发优势。

LNG汽车开辟了气体燃料发动机的新时代。LNG汽车一般分3种形式：完全以LNG为燃料的纯LNG汽车，LNG与柴油混合使用的双燃料汽车，LNG与汽油交替使用的双燃料汽车。这几种LNG汽车的燃气系统基本相同，都是将LNG储存在车用LNG储罐内，通过汽化装置汽化为0.5 MPa左右的气体供给发动机，其主要构成有LNG储气罐、汽化器、减压调压阀、混合器和控制系统等。LNG从液态气罐进入发动机气缸的流程如图2所示，图3是某LNG汽车的动力特性曲线。

从LNG汽车的结构原理和工作特点，很容易发现气体燃料发动机的局限性。

首先是温柔平顺的保守性。对于高速标载运输，天然气发动机的表现和柴油机完全一样，即使是拉煤拉矿等重载运输，天然气卡车也毫不逊色。但是，由于LNG的燃点为650℃，远远高于汽油的427℃和柴油的260℃，所以LNG汽车发动机的燃烧方式是点燃，这与压燃式的传统柴油机相比，那种稳定持久的低转速大转矩特性就会稍逊一筹，而一般普通汽车加装燃气系统以后,虽然换来了更清洁的尾气和更低的行驶成本，但发动机的功率却会下降30%左右。LNG汽车在低速启动及爬坡性能方面的差异性提醒我们，那些在弯道、坡道比较多的地方从事货物运输的商家，暂时还是不宜选用个性偏于温柔的LNG卡车。

其次是无孔不入的渗透性。LNG需要在－163℃储存，气化后进入发动机燃烧。汽车在正常运行时，经过气化的天然气被充分消耗，不会出现泄漏。但在停车较长时，管路和阀门的漏气将使汽车上的低压气体容器内的气压上升而造成危险，因此不得不在气体容器上设置安全阀排气，造成大气污染。因而采用先进技术保证真空隔热储气罐及相关附件的气体泄漏量控制在安全范围内，这方面的专业技术也须进一步跟进。

再次是气体加注的复杂性。LNG加注的方便性、可靠性和安全性有待改进。LNG的加注时间太长，加注方式过于复杂都会影响LNG汽车的推广。

最后是冷能利用的经济性。LNG在气化时产生大量的冷能(860～883 kJ/kg),在发动机设计或汽车设计时可以考虑这一副产品的开发利用问题，特别是在低温冷藏车、医疗救护车等保温类专用汽车上面还有许多值得注意的利用空间。

当然，解决以上问题，不仅需要技术进步的支撑，更需要生产工艺的突破，因此产生的数以万计的高昂费用差价，正是LNG发动机被誉为“富二代”的原因所在。

2.3 空气之气，难在封闭

在层出不穷的新概念车型中，压缩空气发动机装备的气动汽车形象最酷最“帅”。压缩空气发动机是利用高压压缩空气工作,将高压空气中储存的压缩能转换其它机械能的一种动力装置。在资源和环境问题日益突出的情况下,压缩空气发动机与传统的发动机相比具有诸多优点,因而在车辆、发电、航空等方面得到越来越多的应用,在国外已成为节约能源和治理环境污染的重要途径之一。国内外研究的压缩空气发动机主要有往复式、叶片式、旋转式3种结构形式。此外，以液态氮气、液态空气吸热后膨胀做功为动力的发动机也属于压缩空气发动机的范畴。

压缩空气发动机排放出来的尾气比空气还干净，是真正意义上的“零排放”发动机。

同时，给气动汽车充气快速方便，比燃油车加油干净环保，比电动车充电迅速快捷。但是，气动汽车气路多，气压控制繁琐。往复活塞式压缩空气发动机的特点是，活塞与气缸之间的摩擦运动是动摩擦，对两者之间的密封十分不利，所以在实际运用中，因为气缸漏气比较严重，而使发动机的机械效率普遍不足80%；而叶片式压缩空气发动机因为转子、定子、叶片之间接触面积相对较大，叶片与定子之间的频繁摩擦不仅造成发动机叶片的快速磨损和高压气体的大量泄漏，还容易形成不容忽视的噪声污染；偏心旋转式压缩空气发动机依靠2个以上气室依次轮流膨胀推动转子旋转，能够连续输出相对稳定的转矩，摩擦力相对较小，但在气室工作及换气期间的空气泄漏问题仍然比较严重。

面对压缩空气发动机的密封难题，有人提出，大幅提高空气压力和容量，可以有效补偿空气泄漏损失。殊不知压力和容量上去了，整车质量也就上去了，行驶阻力也就增加了，补偿泄漏的因果关系也就陷入了死循环的悖论之中。压缩空气发动机密封难题引发的低效率问题，还一度受到工程学专家对这项技术表示怀疑，“空气压缩机是转化电能效率最低的机器之一，为什么不像电动汽车一样直接使用电能？从能源利用的角度来说，空气动力汽车并没有什么意义。”

事实上，法国、印度、澳大利亚以及中国不止一家研究机构已经利用压缩空气动力技术试制成功了公交车、出租车、家庭用车和小型货车。随着降压节流、热力循环及高温密封技术的进一步发展，耐高压储气罐制造工艺的不断创新，特别是风电、核电、潮汐电等绿色电力比重的持续提高，由电网电力进行次能量转换，又以压缩空气作动力的气动汽车大众化的日子已经为期不远了。

3 混合型“双赢”之爽

怎样将传统发动机的优势与节能相结合呢？汽车工程师们构想出了一个两全其美的办法，开发生产混合动力汽车。所谓混合动力汽车，是指车上装有2个以上动力源：或油电混合，或油气混合，实现传统动力与新能源的互补双赢。

最早出现的混合动力汽车是内燃机发电机与蓄电池的汽车，也就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。这种混合动力汽车的英文缩写为HEV(Hybrid Electric Vehicle)。HEV既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又运用了电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，占尽了2种动力特性的天时、地利与人和。我国各大汽车集团都在进行混合动力汽车研发。

HEV的关键是混合动力系统，它直接决定整车性能。经过20多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机的离散结构向发动机电机和变速器一体化发展，即集成化混合动力总成系统。

混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等3种。

串联式HEV汽车的发动机、发电机和电动机3部分动力之间用串联方式组成动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机上，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当车辆处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，因而在城市公交上的应用比较多。

并联式HEV汽车为发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属2套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供转矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况，非常适合中国国情。

混联式HEV的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，2套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本较高。

插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Vehicle，简称PHV)是一种新型的混合动力电动汽车。区别于传统燃油动力与电驱动结合的混合动力，插电式混合动力驱动原理、驱动单元都与电动车无异，可以当作一辆纯电动车来使用。之所以称其为混合动力，是因为车上装备有一台为电池充电的发动机。采用了双擎双模技术的PHV，短途用电完全可以满足代步使用需求,长途可用混合动力模式，以内燃机为主行驶，并适时向电池充电。

继HEV、PHV之后，受困于LNG汽车转矩特性的局限性，催生了LNG汽车家族的双胞胎兄弟：LNG与柴油混合使用的双燃料LNG汽车及LNG与汽油交替使用的两用燃料汽车。油汽混合LNG汽车的供油供汽2个供应系统共用一个发动机，保留压燃点火方式，通过限制燃油喷射量，用天然气替代的方式“限油补气”，2种燃料进入发动机掺烧为汽车提供动力，柴油与LNG消耗量约为25%和75%。LNG与柴油混合使用的双燃料LNG汽车原理如图8。

两用燃料汽车采用定型汽油车改装，在保留原车供油系统的情况下，增加一套“LNG型车用压缩天然气装置”，启动时用油，预热后转气，气用完后自动转油，几千元的改装费用，平均每天10元左右，跑上一年就能节省回来。而加气的费用只是加油的一半，甚至更少，油改气混合动力技术因为接地气，在家用汽车中得到了广泛响应。

面对油电复合与油气复合的相继成功，空气动力技术研发人员是否应该受到启发？因为密封原因造成的低效率问题既然无法快速得到解决，能否尝试与燃油发动机技术互补双赢呢？互补“合作”初期，传统的燃油发动机技术所占动力比例可以适当大一些，随着空气动力技术的逐步完善，再逐步缩小传统技术的比例，何乐而不为呢？